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噪声系数测量的常用方法简介


  来源: 普尚电子 时间:2024-05-23 编辑:流川
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噪声系数测量的常用方法简介


前言


在无线通信系统中,噪声系数(NF)是RF系统设计师常用的一个参数,它用于表征RF放大器、混频器等器件的噪声,并且被广泛用作无线电接收机设计。测量噪声系数的三种方法:增益法、Y因子法和噪声系数测试仪法。本文主要介绍这三种方法,并用普尚SP900系列频谱仪进行实际的产品测试。


关于噪声因子和噪声系数


噪声系数(NF)有时也指噪声因子(F)。噪声系数(Noise Figure)是对数标度(分贝),噪声因子(Noise Figure)是线性标度。两者简单的关系为:


NF = 10 × log10 (F)


定义


最早的定义之一由Harold Friis在20世纪40年代所提出。在Friis的定义中,噪声因子(噪声系数的线性等效物理量)是特定信号通过特定组件时的信号比(SNR)的降低量。噪声因子和噪声系数均是无单位物理量,噪声因子以线性方式表示,而噪声系数则以对数形式表示。

如上式所示,如果LNA输入端的信号的SNR为100dB,噪声系数为5dB,那么 输出端的SNR为100-5dB = 95dB。如下图所示,噪声系数为X dB的“黑箱”组件将使SNR降低X dB。


图1.噪声系数等于组件的固有噪声功率与热噪声功率之和


噪声系数的另一个定义是:在-174dBm/Hz的常温热噪声功率下,特定有源器件和无源器件额外引入的噪声功率,以dB为单位。该定义与IEEE对噪声因子的 定义相吻合,后者已被广泛接受,用下列等式来表示。


其中k表示波尔兹曼常量

T0表示常温

B表示带宽

G表示DUT的增益


噪声系数的测量方法随应用的不同而不同。一些应用具有高增益和低噪声系数(低噪声放大器(LNA)在高增益模式下),一些则具有低增益和高噪声系数(混频器和LNA在低增益模式下),一些则具有非常高的增益和宽范围的噪声系数(接收机系统)。因此测量方法必须仔细选择。


方法一、使用噪声系数测试仪


噪声系数测试/分析仪测量框图如下图所示。


图2.噪声系数测试/分析仪测量框图


噪声系数测试仪产生28VDC脉冲信号驱动噪声源,该噪声源产生噪声驱动待测器件(DUT),使用噪声系数分析仪测量待测器件的输出噪声。由于分析仪已知噪声源的输入噪声和信噪比,进而计算得出DUT的噪声系数。对于某些应用(混频器和接收机),可能需要本振(LO)信号,如图2所示。当然,测量之前必须在噪声系数测试仪中设置某些参数,如频率范围、应用(放大器/混频器)等。


使用噪声系数测试仪是测量噪声系数的最直接方法,在大多数情况下也是最准确的。工程师可在特定的频率范围内测量噪声系数,分析仪能够同时显示增益和噪声系数。当测量很高的噪声系数时,例如噪声系数超过10dB,测量结果非常不准确。这种方法需要非常昂贵的设备。


方法二、增益法


前面提到,除了直接使用噪声系数测试仪外还可以采用其他方法测量噪声系数。这些方法需要更多测量和计算,但是在某种条件下,这些方法更加方便和准确。其中一个常用的方法叫做“增益法”,它是基于前面给出的噪声因数的定义:

在这个定义中,噪声由两个因素产生。一个是到达射频系统输入的干扰,与需要的有用信号不同。第二个是由于射频系统载波的随机扰动(LNA,混频器和接收机等)。第二种情况是布朗运动的结果,作用于任何电子器件中的热平衡。


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